Depuis les années 1975, les atomes de Rydberg sont étudiés et maintenant utilisés en information quantique pour leurs propriétés particulières d’interaction. Cependant, ces objets physiques peuvent se retrouver impliqués dans différentes autres applications, où leurs caractéristiques remarquables en font de parfaits outils. Dans ce mémoire, nous nous intéresserons à deux applications distinctes faisant intervenir des atomes de Rydberg de césium. Tout d’abord, nous verrons comment utiliser de tels atomes pour produire une source d’électrons monocinétiques, grâce au mécanisme d’ionisation singulier de ce type d’atomes à une valeur précise de champ électrique dépendante du niveau d’excitation. Les électrons ainsi produits sont ensuite extraits et leur dispersion en énergie mesurée. On montrera notamment de façon théorique et d’après les premières mesures expérimentales réalisées pendant la thèse, que l’on peut espérer obtenir une dispersion en énergie des électrons produits par cette technique de l’ordre du meV, résolution jamais atteinte à ce jour. Ce type de source devient aujourd’hui un outil indispensable pour accéder à la mise au point et l’étude de nouveaux matériaux par contrôle de réactions chimiques à l’échelle moléculaire, et à la cartographie des phonons. Dans un second temps, nous verrons qu’il est possible de désexciter un nuage d’atomes de Rydberg de niveaux variés grâce à une source externe dans le domaine térahertz. Ce projet s’inscrit dans le cadre des expériences d’étude de l’antimatière menées actuellement au CERN, qui visent à élucider le mystère de l’asymétrie matière/antimatière. Les méthodes actuelles de production de l’antihydrogène, forment des nuages de ces anti-atomes dans différents états de Rydberg. Pour les étudier, il est alors nécessaire de désexciter le plus d’atomes d’antihydrogène possible vers le niveau fondamental. Nous présenterons la méthode envisagée, ainsi que les résultats obtenus expérimentalement sur un dispositif créé pendant la thèse pour montrer la faisabilité de la technique. Ces premiers résultats montrent qu’il est possible d’accélérer la désexcitation d’un atome de Rydberg sur un état très élevé grâce à une lampe se comportant comme un corps noir. Nous détaillerons les améliorations envisagées, en particulier pour adapter le spectre des fréquences THz à utiliser et empêcher la photoionisation des atomes, par des filtres ou par le façonnage spectral via l’utilisation d’un photomixer.
Depuis les années 1975, les atomes de Rydberg sont étudiés et maintenant utilisés en information quantique pour leurs propriétés particulières d’interaction. Cependant, ces objets physiques peuvent se retrouver impliqués dans différentes autres applications, où leurs caractéristiques remarquables en font de parfaits outils. Dans ce mémoire, nous nous intéresserons à deux applications distinctes faisant intervenir des atomes de Rydberg de césium. Tout d’abord, nous verrons comment utiliser de tels atomes pour produire une source d’électrons monocinétiques, grâce au mécanisme d’ionisation singulier de ce type d’atomes à une valeur précise de champ électrique dépendante du niveau d’excitation. Les électrons ainsi produits sont ensuite extraits et leur dispersion en énergie mesurée. On montrera notamment de façon théorique et d’après les premières mesures expérimentales réalisées pendant la thèse, que l’on peut espérer obtenir une dispersion en énergie des électrons produits par cette technique de l’ordre du meV, résolution jamais atteinte à ce jour. Ce type de source devient aujourd’hui un outil indispensable pour accéder à la mise au point et l’étude de nouveaux matériaux par contrôle de réactions chimiques à l’échelle moléculaire, et à la cartographie des phonons. Dans un second temps, nous verrons qu’il est possible de désexciter un nuage d’atomes de Rydberg de niveaux variés grâce à une source externe dans le domaine térahertz. Ce projet s’inscrit dans le cadre des expériences d’étude de l’antimatière menées actuellement au CERN, qui visent à élucider le mystère de l’asymétrie matière/antimatière. Les méthodes actuelles de production de l’antihydrogène, forment des nuages de ces anti-atomes dans différents états de Rydberg. Pour les étudier, il est alors nécessaire de désexciter le plus d’atomes d’antihydrogène possible vers le niveau fondamental. Nous présenterons la méthode envisagée, ainsi que les résultats obtenus expérimentalement sur un dispositif créé pendant la thèse pour montrer la faisabilité de la technique. Ces premiers résultats montrent qu’il est possible d’accélérer la désexcitation d’un atome de Rydberg sur un état très élevé grâce à une lampe se comportant comme un corps noir. Nous détaillerons les améliorations envisagées, en particulier pour adapter le spectre des fréquences THz à utiliser et empêcher la photoionisation des atomes, par des filtres ou par le façonnage spectral via l’utilisation d’un photomixer.
Les atomes de Rydberg couplés à des cavités supraconductrices sont des outils remarquables pour l’exploration des phénomènes quantiques élémentaires et des protocoles d’information quantique. Ces atomes «géants» ont des propriétés uniques. Ils sont soumis à une forte interaction dipôle-Dipôle, fonction de la distance interatomique, qui est responsable du mécanisme de blocage dipolaire : dans le régime de Van der Waals, l’énergie d’interaction croît comme n11, où n est le nombre quantique principal. Si on illumine un nuage atomique avec un laser d’excitation à la fréquence de la transition de Rydberg pour un atome isolé, on s’attend à exciter au plus un atome dans un volume de blocage de ⇠ 8(μm)3. Nous avons mis en place une expérience pour préparer un atome de Rydberg de façon déterministe. Elle utilise un petit nuage d’atomes de rubidium 87 dans l’état fondamental, piégés magnétiquement sur un puce à atomes supraconductrice à 4 K, et excités à l’aide de lasers vers les états de Rydberg. L’effet de blocage dipôlaire est sensible à l’élargissement spectral de la transition par des champs électriques parasites. Une fois unatome excité dans l’état cible 60S1/2↵, nous explorons les transitions atomiques étroites, de longueur d’onde millimétrique, entre états de Rydberg pour étudier ces champs parasites. La surface de notre puce étant couverte d’une pellicule d’or, nous observons comme d’autres groupes de recherche de forts gradients de champs électriques, dus au dépôt progressif d’atomes de rubidium à la surface de la puce. Nous contournons le problème, en déposant une couche de rubidium métallique sur la puce. Les gradients sont alors réduits d’un ordre de grandeur. Cette amélioration nous permet d’observer des temps de cohérence très élevés, de l’ordre de la milliseconde, pour des atomes de Rydberg au voisinage d’une puce supraconductrice.Sur le plan théorique, nous présentons un protocole simple pour la création rapide et efficace de superpositions quantiques de deux champs cohérents d’amplitudes classiques différentes dans une cavité. Il repose sur l’interaction de deux atomes à deux niveaux avec le champ dans la cavité. Leur détection avec une grande probabilité dans un état bien défini projette le champ dans une superposition mésoscopique d’états du champ. Nous montrons que ce protocole est nettement plus efficace que ceux utilisant un seul atome. Nous réalisons cette étude dans le contexte de l’électrodynamique en cavité (CQED), où les atomes à deux niveaux sont des atomes de Rydberg de grand temps de vie interagissant avec le champ d’une cavité micro-Ondes supraconductrice. Mais ce travail peut également s’appliquer au domaine en plein essor de l’électrodynamique quantique des circuits. Dans ces deux contextes, il peut conduire à d’intéressantes études expérimentales de la décohérence à la frontière quantique-Classique.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.
Cette thèse porte sur l'étude de la production d'une source d'ionsCes travaux de thèse ont consisté à étudier la faisabilité d'une source d'ions césium brillante et de faible dispersion énergétique à partir d'atomes froids dans le but de la coupler à une optique de faisceau d'ions focalisés (FIB).Il s'agit de produire une source ionique continue, de fort courant et de plus faible dispersion en énergie que les sources actuellement utilisées. Un schéma expérimental innovant a donc été imaginé.Un flux continu d'atomes de césium est issu d'un four à recirculation. Les atomes sont ensuite collimatés et compressés en se basant su les techniques de refroidissement d'atomes par laser. Des simulations de la mélasse optique pour la collimation et du MOT-2D pour la compression sont présentées. Issus d'un jet effusif de césium produit par un four à recirculation, la collimation grâce à une mélasse optique et la compression effectuée en en utilisant un MOT-2D des atomes de césium a été étudiée. Le schéma d'ionisation des atomes de césium passe par une excitation vers un état de Rydberg puis par une ionisation par champ électrique. Les propriétés remarquables des atomes pour ces niveaux d'énergie permettent d'obtenir une ionisation des atomes en champ électrique quasi-instantanée qui permet la minimisation de la dispersion énergétique. Nous avons développer une simulation permettant d'étudier les propriétés du champ électrique nécessaire pour l'ionisation afin de choisir le niveau de Rydberg approprié. Des simulations complémentaires ont permis de définir et de concevoir les électrodes nécessaires à la production du champ électrique d'excitation et d'ionisation. Une première étude des effets coulombiens de la source d'ions lors de l'ionisation des atomes de Rydberg est présentée. Enfin, l'étude théorique du couplage de la source obtenue avec une optique de faisceaux d'ions focalisés est réalisée.Un montage expérimental vient compléter ces diverses études et a permis d'obtenir les premiers résultats.
Les atomes de Rydberg constituent des objets idéaux pour l’étude des systèmes physiques en interaction à longue portée. Transposer à ces atomes très excités les techniques habituelles d’imagerie et de piegeage des atomes froids offrirait de nouvelles opportunités pour le domaine de la simulation quantique. Notre approche consiste à utiliser un atome à deux électrons de valence optiquement actifs tel que l’ytterbium. En effet, les transitions optiques du coeur ionique de cet atome ouvrent la voie à de nombreuses perspectives pour la manipulation optique dans l'état de Rydberg. Lorsque l’atome est doublement excité, il peut néanmoins auto-ioniser puisque son énergie se situe au delà de la première limite d’ionisation. La possibilité de s’affranchir totalement de l’autoionisation est une question ouverte.Dans cette thèse, nous présentons en premier lieu les contributions apportées au montage de l’expérience,du refroidissement des atomes d’ytterbium sur la raie d’intercombinaison à l’excitation dans des états de Rydberg. A cause des interactions entre électrons de valence, la spectroscopie de ces états très excités est plus complexe dans l'ytterbium que dans les atomes alcalins. Une étude expérimentale couplée à une analyse par théorie du défaut quantique à plusieurs voies (MQDT) a été réalisée sur diverses séries Rydberg (s, p, d et f). Cette étude, prérequis essentiel, a permis d’améliorer la précision de plus de deux ordres de grandeur sur la spectroscopie des séries étudiées.L’excitation du coeur ionique a ensuite été mise en place sur la transition 6s1/2 → 6p1/2 . Nous avons alors étudié expérimentalement et théoriquement l’excitation du coeur isolé pour des états de Rydberg de grand moment orbital (l = 5 - 9). Cette étude a montré que l'auto-ionisation est dominée par le couplage au continuum de l'état de coeur 5d3/2. Par opposition a l'atome de baryum, pour lequel l'autoionisation chute rapidement avec le moment orbital de l'électron Rydberg, nous avons montré que cette tendance est moins marquée sur l'ytterbium. Grace à cette étude, nous pourrons déterminer les états pour lesquels la manipulation optique par laser est possible.
Préparation déterministe d'atomes de Rydberg uniques pour des expériences d'information quantique Les atomes de Rydberg couplés à des cavités supraconductrices sont des outils remarquables pour l’exploration des phénomènes quantiques élémentaires et des protocoles d’information quantique. Ces atomes «géants» ont des propriétés uniques. Ils sont soumis à une forte interaction dipôle-Dipôle, fonction de la distance interatomique, qui est responsable du mécanisme de blocage dipolaire : dans le régime de Van der Waals, l’énergie d’interaction croît comme n11, où n est le nombre quantique principal. Si on illumine un nuage atomique avec un laser d’excitation à la fréquence de la transition de Rydberg pour un atome isolé, on s’attend à exciter au plus un atome dans un volume de blocage de ⇠ 8(μm)3. Nous avons mis en place une expérience pour préparer un atome de Rydberg de façon déterministe. Elle utilise un petit nuage d’atomes de rubidium 87 dans l’état fondamental, piégés magnétiquement sur un puce à atomes supraconductrice à 4 K, et excités à l’aide de lasers vers les états de Rydberg. L’effet de blocage dipôlaire est sensible à l’élargissement spectral de la transition par des champs électriques parasites. Une fois unatome excité dans l’état cible 60S1/2↵, nous explorons les transitions atomiques étroites, de longueur d’onde millimétrique, entre états de Rydberg pour étudier ces champs parasites. La surface de notre puce étant couverte d’une pellicule d’or, nous observons comme d’autres groupes de recherche de forts gradients de champs électriques, dus au dépôt progressif d’atomes de rubidium à la surface de la puce. Nous contournons le problème, en déposant une couche de rubidium métallique sur la puce. Les gradients sont alors réduits d’un ordre de grandeur. Cette amélioration nous permet d’observer des temps de cohérence très élevés, de l’ordre de la milliseconde, pour des atomes de Rydberg au voisinage d’une puce supraconductrice.Sur le plan théorique, nous présentons un protocole simple pour la création rapide et efficace de superpositions quantiques de deux champs cohérents d’amplitudes classiques différentes dans une cavité. Il repose sur l’interaction de deux atomes à deux niveaux avec le champ dans la cavité. Leur détection avec une grande probabilité dans un état bien défini projette le champ dans une superposition mésoscopique d’états du champ. Nous montrons que ce protocole est nettement plus efficace que ceux utilisant un seul atome. Nous réalisons cette étude dans le contexte de l’électrodynamique en cavité (CQED), où les atomes à deux niveaux sont des atomes de Rydberg de grand temps de vie interagissant avec le champ d’une cavité micro-Ondes supraconductrice. Mais ce travail peut également s’appliquer au domaine en plein essor de l’électrodynamique quantique des circuits. Dans ces deux contextes, il peut conduire à d’intéressantes études expérimentales de la décohérence à la frontière quantique-Classique.
Les faisceaux d’électrons et d’ions sont au cœur de nombreuses techniques instrumentales servant à explorer, analyser et agir sur des matériaux à l’échelle du micromètre au nanomètre (Microscopie électronique, spectrométrie d’électrons, techniques de « FIB »). Les limites de résolution spatiale et énergétique de ces techniques dépendent en grande partie des propriétés des sources qu’elles utilisent et en particulier de leur température de fonctionnement. De fait, depuis plus de 10 ans, le potentiel des atomes froids ionisés comme nouveau type de source d’électrons ou d’ions est intensivement exploré.Le projet expérimental réalisé au LAC et décrit dans cette thèse utilise un jet d’atomes de césium issu d’un piège magnéto-optique à deux dimensions. La température transverse du jet est de l’ordre de 100 µK. Malgré cela, le jet est encore trop divergent après la sortie de la zone de refroidissement pour notre expérience. Afin guider le jet d’atomes jusqu’à la zone d’ionisation, nous avons étudié une méthode particulière de guidage dipolaire. L’utilisation d’un seul laser convenablement réglé nous a permis de guider et pousser les atomes du jet en même temps tout en limitant le chauffage. Nous avons ainsi pu compresser avec ce laser pousseur-guideur le jet d’atomes sur un diamètre de 400 µm à 60 cm de la zone de refroidissement du PMO-2D.Le jet est ensuite ionisé par la méthode d’ionisation en champ électrique statique d’atomes de Rydberg. Les atomes sont tout d’abord excités par laser sur un état de Rydberg (n~30) en présence d’un champ électrique uniforme et homogène. Les atomes du jet ainsi excités voyagent vers une zone présentant un fort gradient de champ où ils vont alors s’ioniser autour de la même valeur de potentiel, réduisant ainsi la taille de la zone d’ionisation et donc de la dispersion en énergie potentielle initiale du faisceau d’électron. La probabilité d’ionisation des atomes dans le champ dépend grandement de l’état de Rydberg préalablement excité. Le choix de l’état de Rydberg optimal, i.e. qui a une probabilité d’ionisation la plus grande possible, nécessite une étude de l’ionisation des états de Rydberg du césium. Un modèle à deux niveaux est présenté dans cette thèse qui permet de retrouver le comportement d’ionisation d’état de Rydberg observé expérimentalement. Ce modèle simple nous a permis de comprendre quel type d’état nous devions exciter. Enfin une étude expérimentale est également présentée.